施加彎矩載荷的液壓缸設(shè)計方法

李洪文+姜小玉+李揚眉+王凱+賀偉

摘 要：為了模擬復(fù)雜外環(huán)境，設(shè)計出針對該試驗載荷的液壓缸，結(jié)合邊界條件轉(zhuǎn)化成對液壓缸的需求，進而確定關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計出合適的執(zhí)行元件，完成試驗。

關(guān)鍵詞：深海環(huán)境；彎矩載荷；液壓缸；執(zhí)行元件

中圖分類號：TH137；TP39 文獻標識碼：B 文章編號：2095-1302（2017）05-00-02

0 引 言

某壓力艙用于模擬深水極端載荷環(huán)境，對輸油管件、閥門、ROV等深海裝備進行力學(xué)試驗。該壓力艙體內(nèi)部充滿穩(wěn)定的高靜水壓力，需要對管道試件施加側(cè)向彎矩載荷。在試驗中如何有效施加該載荷，成為試驗成功與否的關(guān)鍵。

1 試驗需求

試驗件為8 m長的圓形管道，將外徑為273.05～630mm的標準系列石油管道放置在直徑為1 200 mm的壓力艙內(nèi)，兩端固定，載荷施加點距固定點2 m。試驗需要對該長度不同截面尺寸的試驗機施加106 N·m的彎矩，試驗時壓力艙內(nèi)充滿70 MPa密閉液體。

2 施加方案

根據(jù)所需彎矩量級可知，選取液壓缸作為施加載荷的執(zhí)行元件。如果液壓缸放置在艙體內(nèi)，則自身承受70 MPa的外載荷，技術(shù)難度大、成本高，且壓力艙尺寸將會更大。所以考慮將液壓缸安裝在壓力艙外部，活塞桿深入到壓力艙內(nèi)對管道施加載荷，這樣特種缸的設(shè)計就轉(zhuǎn)化成了普通缸設(shè)計，只需要考慮活塞桿與艙體密封問題即可。

3 液壓缸設(shè)計

3.1 液壓缸輸出力的計算

圓形管道兩端固支，因此可以簡化成固定約束[1]。靜力作用的力學(xué)模型如圖 1所示。

根據(jù)一般荷重作用下梁的撓度曲線方程式可以推導(dǎo)出試驗管件上的彎矩分布[2]，如圖 2所示。

由此可以看出，只要側(cè)向力等值并對稱分布，即可在管件中間形成一段不受剪力的純彎矩載荷作用區(qū)域。理論上，彎矩絕對值的大小為Fl2/L，與試驗管件的截面尺寸無關(guān)。

試驗需要的彎矩最大值為106 N·m，已知試驗管件的長度L為8 m，側(cè)向力的作用位置距離固端的長度l為2 m，則液壓缸能夠提供的最大荷載F需要2 MN。

3.2 根據(jù)推力計算缸徑及桿徑

液壓缸推力首先要滿足試驗載荷所需力，同時還要克服70 MPa外壓在桿端的影響。油源壓力已知為28 MPa，可通過式（1）式（2）求得活塞桿直徑及液壓缸內(nèi)徑。液壓缸示意圖如圖3所示。

根據(jù)有效試驗載荷要求可知[3]：

（1）

根據(jù)活塞桿強度要求可知：

（2）

式中，P1為油源壓力28 MPa；P2為壓力艙壓力70 MPa；D為活塞外徑；d為活塞桿外徑； σ為材料抗拉應(yīng)力，30CrMnSiA材料，屈服強度為835 MPa；n為安全系數(shù)，取3。

公式聯(lián)立計算可知：

d≥110 mm，D≥348 mm

根據(jù)優(yōu)化選取D=450 mm，d=200 mm。液壓缸同時需要滿足壓桿穩(wěn)定性要求，則可以利用長細比公式進行校核[4]。

此時活塞桿長細比

式中l(wèi)為桿長，μ為從長度因數(shù)，i為截面慣性矩。代入數(shù)值可得活塞桿為小柔度桿，滿足穩(wěn)定性要求。

3.3 液壓缸行程計算

根據(jù)管道簡化力學(xué)模型計算撓度。已知：

p=2 000 kN，a=2 m，l=8 m，E=210 GPa

試驗件最大撓度為[5]：

（3）

其中， E為材料彈性模量； I為截面慣性矩， α=a/l，I =（π/64）（D4-d4）；

加載點C處的撓度為[6]：

（4）

其中：

。

若D=630 mm，d=530 mm，則計算得：

fmax=6.579 mm，fc=4.112 mm；

若D=508 mm，d=475.74 mm，則計算得：

fmax=33.6 mm，fc=21 mm；

……

若D=273.05 mm，d=255.27 mm，則計算得：

fmax=394.4 mm，fc=246.5 mm。

此時是理論上能在1 200 mm內(nèi)徑壓力艙內(nèi)做側(cè)向彎曲的最小規(guī)格油管，外徑小于該油管的試樣由于撓度變形大，將會接觸艙壁（忽略靜水壓對試驗件剛度的影響），考慮到筒內(nèi)其它設(shè)備所占空間，實際所能做側(cè)彎試驗的油管種類可能進一步減少。

液壓缸加載結(jié)構(gòu)如圖4所示，由此可知，液壓缸有效行程為l≥350+285+178.5+246.5=1 060，考慮支托墊板以及其它連接件的厚度，行程選擇1 000 mm。

3.4 其它參數(shù)設(shè)計

液壓缸的缸徑、桿徑及行程確定后，其它參數(shù)如壁厚、端蓋、連接方式、密封方式等根據(jù)設(shè)計手冊逐項設(shè)計并校核即可[7]，不再一一列舉。

4 結(jié) 語

單純對液壓缸的設(shè)計，無論機械手冊或液壓手冊上已經(jīng)有很多計算公式，普通液壓缸設(shè)計技術(shù)較為成熟[8]。即便是非標設(shè)計，很多液壓缸加工廠家的設(shè)計軟件根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)輸入就可以自動完成計算、校核及出圖。如何把對試驗需求的理解，轉(zhuǎn)化為對液壓缸等設(shè)備的需求，然后根據(jù)邊界條件明確主要的設(shè)計參數(shù)，則是試驗實施人員以及機械、液壓設(shè)計人員應(yīng)具備的關(guān)鍵素質(zhì)，也是試驗?zāi)芊駡A滿完成的基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]雷天覺.新編液壓工程手冊[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

[2]秦大同，謝里陽.現(xiàn)代機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[3]高健，張廉，李穎，等.工程力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[4]董林福，趙艷春.液壓與氣壓傳動[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[5]成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[6]張思.振動測試與分析技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1992.

[7]胡志強.隨機振動試驗應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國計量出版社，1996.

[8]邢天虎.力學(xué)環(huán)境試驗技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.